Artikel Efek Fotolistrik [PDF]

Citation preview

EFEK FOTOLISTRIK Afridha Nurfadhyla*), Nurintang1), Nur Isna Khumaerah2), Sudjana3). Rosita Hasanuddin Laboratorium Fisika Modern Universitas Negeri Makassar e-mail: [email protected],[email protected],[email protected], [email protected].



Abstrak – Percobaan Efek Fotolistrik dirancang untuk mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan menetukan konstanta Planck. Prinsip kerja pada kegiatan ini, berkas cahaya ditembakkan ke sensor dan menuju ke permukaan logam yang ada di dalam suatu tabung vakum sehingga elektron terpencar keluar dari permukaan tersebut. Percobaan ini memerlukan perangkat pengkuran konstanta Planck, PC-101 dan 5 buah filter dengan warna dan panjang gelombang yang berbeda-beda. Pada percobaan ini dilakukan dua kegiatan, dimana kegiatan pertama dilakukan untuk mengetahui pengaruh potensial pen ghalang (V) dengan potensial penghenti (Vs) terhadap arus foto listrik. Pada kegiatan pertama terdapat tiga keadaan yang harus diamati yaitu terdapat atau tidak terdapatnya arus pada saat potensial penghalang dibuat lebih kecil dari potensial penghenti (VVs). Adapun pada kegiatan kedua yaitu untuk mengetahui hubungan antara panjang gelombang (λ) dan frekuensi (f) terhadap potensial penghenti (V S), diperoleh bahwa semakin besar frekuensi yang diberikan maka semakin besar pula potensial penghentinya. Berdasarkan hasil analisis grafik dari data yang diperoleh pada kegiatan kedua, diperoleh nilai konstanta Planck sebesar 7.648 x 10-34 J.s, nilai ini mendekati nilai konstanta Planck secara teori, yaitu 6.626 x 10-34 J.s dengan presentase perbedaan yang diperoleh dari %diff sebesar 13,7 % dan nilai fungsi kerja logam diperoleh sebesar 3.00 x 10-19 J. Kata Kunci:cahaya, frekuens, fotolistrik, potensial penghenti, teori kuantum



PENDAHULUAN Efek fotolistrik ditemukan tanpa disengaja oleh Heinrich Hertz pada tahun 1887 sewaktu mempelajari pemacaran gelombang elektromagnetik oleh osilasi tegangan diantara dua elektrode, yang lalu disebut lebih lanjut oleh beberapa peneliti lainnya diawal abad 20. Setahun kemudian, Hallwachs mengamati bahwa sebuah pelat seng, yang bersifat lebih negatif dibandingkan lingkungannya, akan mengalami pelepasan elektron jika disinari dengan cahaya ultraviolet. Setelah penemuan sinar katode yang diidentifikasi sebagai aliran muatanmuatan negatif, barulah diketahui bahwa pancaran elektronlah yang menjadi alasan terjadinya proses ini. Analisis semi-kuantitatif gejala fotolistrik pertama kali dilakukan oleh Philips Lenard pada tahun 1902. Dalam eksperimennya, Lenard menggunakan sebuah tabung kaca yang divakumkan yang di dalamnya terdapat dua buah elektrode. Satu dari elektrode ini disebut katode cahaya (photocatode) yang terbuat dari bahan aluminium. Katode ini disinari dengan cahaya. Elektrode lainnya disebut anode, diberi potensial listrik U yang lebih negatif terhadap katode. Jika elektron yang bermuatan negatif e dapat melewati beda potensial anatara kedua elektrode ini, maka akan terdeteksi arus pada rangkaian luar tabung. Dari eksperimen ini, Lenard mengamati bahwa terdapat sebuah lonjakan arus jika nilai mutlak potensial jauh di bawah sebuah nilai ambang. Nilai ambang ini bergantung pada sumber cahaya yang dia gunakan. Ketika itu, teori fisika tidak dapat menjelaskan hasil pengamatan Lenard dan dalam kebuntuan inilah, datang seorang pegawai kantor Paten di Swiss dengan jabatan ahli teknik kelas tiga, Albert Einstein.



1



Einstein dengan menggunakan gagasan kuanta Planck memberikan penjelasan teoritis terhadap hasil pengamatan gejala fotolistrik. Dalam bagian akhir makalahnya yang berjudul On a heuristic point of view concerning the production and conversion of light yang terbit pada 1905, Einstein menunjukkan bahwa secara tak langsung telah terdapat bukti eksperimen akan keberadaan kuanta cahaya. Dengan konse kuanta cahaya ini, Einstein menjelaskan data ekserimen efek fotolifstrik dengan baik.Eksperimen ini selanjutnya dilakukan untuk mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum dan menentukan besarnya konstanta Planck, melaui dua kegiatan. Kegiatan pertama dilakukan dengan mengamati pengaruh intensitas cahaya yang diberikan terhadap perubahan arus yang terbaca pada perangkat percobaan efek fotolistrik yang diguanakan, untuk kegiatan kedua dilakukan dengan mengamati pengaruh frekuensi terhadap potensial penghenti. Pada dasarnya ponstulat yang dikemukan oleh Einstein yaitu cahaya terdiri atas paket-paket energi atau foton yang bergerak dengan kecepatan cahaya, apabila frekuensi cahaya adalah v maka energi foton adalah E = hv, dalam proses fotolistrik satu foton diserap sepenuhnya oleh elektron pada permukaan logam. Dari ponstulat einstein ini dapat menjadi referensi untuk mengukur konstanta Planck. Selanjutnya penentuan nilai konstanta Planck dapat dilakukan dengan menggunakan teori Planck. Pada dasarnya postulat yang dikemukan oleh Einstein tidak dapat dijelaskan berdasarkan paham tersebut, yang kemudian dijelaskan berdasarkan paham cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum, dimana meningkatnya frekuensi mempengaruhi transfer energi dari cahaya ke electron sedangkan intensitas cahaya tidak berpengaruh. Pada efek fotoelektrik, permukaan sebuah logam disinari dengan berkas cahaya, dan sejumlah elektron terpancar dari permukaannya. Dalam studi eksperimental terhadap fotoelektrik, kita mengukur bagaimana laju dan energi kinetik elektron yang terpancar bergantung pada intensitas dan panjang gelombang sumber cahaya. Percobaan ini harus dilakukan dalam ruang hampa, agar elektron tidak kehilangan energinya karena bertumbukan dengan molekul-molekul udara [1]. Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu logam pada saat: 1. Efek fotolistrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan suatu logam pada saat Paket energi merambat dengan kecepatan cahaya c, tetapi berbeda dengan gelombang, energi ini tidak menyebar dalam ruang dan tetap menempati volum yang sangat terbatas dalam ruang. 2. Energi paket terkait dengan frekuensi secara linier E = h v Dalam proses fotolistrik sebuah paket menyerahkan energi seluruhnya pada elektron, dan elektron itu kemudian meninggalkan logam [2]. Elektron adalah zarah elementair, yakni zarah penyusun materi, yang paling kecil, paling ringan, dan yang paling awal dikemukakan orang. Seperti halnya zarah-zarah elementair yang lain, keberadaan elektron, bermakna epistemologis dalam arti dierlukan untuk menerangkan gejala fisika, yakni terkuantisasinya muatan listrik, di samping menerangkan sifat-sifat sinar katode, efek fotolistrik, dan lain sebagainya [4]. Laju pancaran elektron diukur sebagai arus listrik pada rangkaian luar dengan menggunakan sebuah ammeter, sedangkan energi kinetiknya ditentukan dengan mengenakan suatu potensial perlambat (retarding potential) pada anoda sehingga elektron tidak mempunyai energi yang cukup untuk “memanjati” bukit potensial yang terpasang. Secara eksperimen, tegangan perlambat terus diperbesar hingga pembacaan arus pada ammeter menurun ke nol. Tegangan yang bersangkutan ini disebut potensial henti (stopping potential) Vs. Karena elektron yang berenergi tertinggi tidak dapat melewati potensial ini, maka pengukuran Vs merupakan suatu cara untuk menentukan energi kinetik maksimum elektron Kmaks: Kmaks = eVs e adalah muatan elektron. Nilai khas Vs adalah dalam orde beberapa volt [1]. Teori efek fotolistrik yang benar barulah dikemukakan Einstein pada tahun 1905. Teorinya ini didasarkan pada gagasan Planck tentang kuantum energi, tetapi ia mengembangkannya satu langkah lebih ke depan. Einstein menganggap bahwa kuantum energi bukan merupakan sifat 2



radiasi itu sendiri. Energi radiasi elektromagnet bukannya diserap dalam bentuk aliran kintiniu gelombang, melainkan dalam buntelan diskret kecil atau kuanta, yang kita sebut foton. Sebuah foton adalah suatu kuantum energi elektromagnet yang diserap atau dipancarkan, dan sejalan dengan usulan Planck, tiap-tiap foton dari radiasi berfrekuensi v memiliki energi E=hv h adalah tetapan Planck. Dengan demikian foton-foton berfrekuensi tinggi memiliki energi yang lebih besar [1]. Dengan meggunakan teori Planck, Einstein menemukan gejala efek fotolistrik dengan persamaan: E = hv = EKmaks + W0 Denga EKmaks = energi kinetik maksimum (eV), dan W0 = fungsi kerja logam (eV) [3]. METODE EKSPERIMEN Pada saat pengambilan data untuk percobaan efek fotolistrik, alat dan bahan yang digunakan yaitu perangkat pengukuran konstanta Planck, PC-10 dan beberapa buah filter, filter dengan warna merah, jingga, kuning, hijau, dan biru. Pada percobaan iniprinsip kerja perangkat pengukuran yaitu; ketika berkas cahaya dipancarkan ke arah permukaan logam yang diletakkan di dalam suatu tabung vakum. Sumber cahaya yang digunakan adalah cahaya polikromatik, yang kemudian berubah menjadi cahaya monokromatik setelah melewati filter dimana filter warna disini berfungsi untuk meloloskan panjang gelombang tertentu yang akan menyinari pelat katoda. Kegiatan pertama, yaitu untukmengetahuipengaruh intensitas cahaya terhadap arus dengan meletakkan filter biru pada jendela tabung, kemudian mengatur intensitas cahaya sampai arus yang terbaca pada layar menunjukkan nilai 3,0 μA. Setelah arus terbaca, kemudian lakukan pengukuran tegangan penghenti dengan memutar pengatur tegangan sampai arus menjadi nol. Setelah mendapat nilai potensial penghenti, selanjutnya mengatur potensial penghalang pada tiga keadaan yaitu: potensial penghalang lebih kecil dari potensial penghenti (VVs). Pada tiga keadaan ini, diamatipenunjukannilaiarus yang terbacapadaalat. Kegiatan kedua, yaitu untuk mengetahui pengaruh frekuensi terhadap potensial penghenti dilakukan dengan mengganti filter biru dengan filter merah. Filter diganti dandipasang dengan menggunakan tissu. Potensialpenghalangdiaturkeposisinol. Kemudian mengatur intensitas cahaya sampai terbaca arus pada layar sesuai dengan nilai arus yang ditentukan pada masing-masing filter.Lalu mengukur potensial penghenti pada posisi tersebut. Selanjutnya, mengganti filter warna yang lain (jingga, kuning, hijau, biru) dan mengulangi prosedur yang sama untuk filter warna yang berbeda sehingga diperoleh lima data. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN Tabe1. HasilPengamatanKarakteristikCahayaMenurutTeoriKuantum Keadaan Perlakuan Ada Arus



Tidak Ada Arus



VVs



-



√



3



Tabel 2. HasilPengamatanPengaruh PanjangGelombangterhadapPotensialPenghenti Frekuensi,



Warna



Panjang Gelombang , λ (nm)



(x1014Hz)



Potensial henti, Vs (volt)



Merah



635



4,72



|0,34 ± 0,01|



Jingga



570



5,26



|0,58 ± 0,01|



Kuning



540



5,56



|0,94 ± 0,01|



Hijau



500



6,00



|0,96 ± 0,01|



Biru



460



6,52



|1,20 ± 0,01|



Filter



Potensial Penghenti (Volt)



Analisis Data 1.4 y = 0.4774E -15x - 1.8752 R² = 0.9297



1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0



0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7



Frekuensi (x 10 14 Hz)



Grafik Hubungan antara Potensial penghenti (Volt) dengan frekuensi (Hz) Dari analisis persamaan Einstein diperoleh: K= hf - W0 e Vs = hf -W0 persamaan hubungan potensial penghenti dengan frekuensi menjadi e Vs = hf - W0 e Vs hf W0 = e e e Vs =



h W0 fe e 4



Dari grafik diperoleh persamaan kemiringan kurva (slope) y= 4,774 ×10-15 x-1,4516 R2 = 0,9297 y = mx + c atau h = m = 4,774 ×10-15 e W0 = c = 1,8752 e dimana e = 1.602 × 10-19 C 1. Penentuan konstanta Planck, h Dari analisis grafik diperoleh h =m e h= em h= (1.602 × 10-19) ( 4,774 ×10-15 ) h = 7,648 ×10-34 Js DK = R2 × 100% = 0.92,97 × 100% DK = 92,97 % KR = 100% - DK = 100% - 92,97% KR = 7,03% (2AB) ∆h KR= | | ×100% h KR ×h 100% 7,03% ×7.64 ×10-34 Js ∆h= 100% ∆h = 0,538 ×10-34 Js ∆h=



Sehingga pelaporan dari hasil eksperimen adalah heks = |7.64 ±0,53|10-34 Js Secara teori oleh Planck, nilai konstanta Planck adalah ht= 6,626 × 10-34 Js Persentase perbedaan hasil eksperimen dan teori yaitu:



5



%Diff= |



ht - heks | ×100% h+h ( t 2 eks )



%Diff= |



6,626- 7.6 | ×100% 6,626+ 7.6 ( ) 2



%Diff= 13,7 % 2. Penentuan fungsi kerja logam, W0 Dari analisis grafik diperoleh W0 =C e W0 = eC W0 =(1.602 × 10-19) ( 1.8752) W0 = 3,00 ×10-19 J Dari hasil analisis diperoleh fungsi kerja logam (Wo) secara praktikum sebesar 3,00 x 10 -19 J dan secara teori logam yang nilainya mendekati Wo secara praktikum yaitu logam Cesium (Cs) dengan fungsi kerja Wo sebesar 3,04 x 10-19 J (1.9 eV). Pembahasan Pada percobaan efek fotolistrik yang bertujuan untuk mengamati perilaku cahaya sebagai partikel menurut teori kuantum, serta untuk menentukan konstanta Planck. Dimana pada percobaan ini dibagi menjadi dua kegiatan. Pada kegiatan pertama, dilakukan pengamatan pengaruh intensitas cahaya terhadap kuat arus. Pada kegiatan ini terdapat tiga keadaan yang berbeda, yaitu ketika potensial penghalang dibuat lebih kecil, sama besar, dan lebih besar dari potensial penghenti. Berdasarkan hasil pengamatan terhadap ketiga keadaan tersebut diperoleh bahwa perubahan arus terjadi pada saatpotensial penghalang lebih kecil dari potensial penghenti (V